I fononi a spirale trasformano un materiale paramagnetico in un magnete – Physics World

Quando il reticolo atomico di un materiale vibra, produce quasiparticelle note come fononi o onde sonore quantizzate. In alcuni materiali, la vibrazione del reticolo secondo uno schema a cavatappi renderà questi fononi chirali, nel senso che assumeranno la “manualità” della vibrazione che li ha prodotti. Ora, i ricercatori della Rice University negli Stati Uniti hanno scoperto che questi fononi chirali hanno un ulteriore effetto: possono rendere il materiale magnetico. Questa scoperta potrebbe essere utilizzata per ottenere proprietà difficili da trovare nei materiali presenti in natura.

Una di queste proprietà difficili da scoprire riguarda le violazioni della simmetria di inversione temporale degli elettroni. In sostanza, la simmetria di inversione temporale implica che gli elettroni dovrebbero comportarsi allo stesso modo indipendentemente dal fatto che si muovano avanti o indietro in un materiale. Il modo più comune per violare questa simmetria è posizionare il materiale in un campo magnetico, ma per alcune possibili applicazioni ciò non è pratico.

In precedenza, si pensava che gli atomi si muovessero troppo poco e troppo lentamente nel loro reticolo cristallino per influenzare la simmetria di inversione temporale degli elettroni. Nel nuovo lavoro, tuttavia, un team di Rice guidato da Hanyu Zhu hanno scoperto che quando gli atomi ruotano attorno alle loro posizioni medie nel reticolo a una velocità di circa 10 trilioni di rivoluzioni al secondo, le risultanti vibrazioni a forma di spirale – fononi chirali – rompono la simmetria di inversione temporale degli elettroni e danno loro una direzione temporale preferita.

"Ogni elettrone possiede uno spin magnetico che agisce come un minuscolo ago di bussola incorporato nel materiale, reagendo al campo magnetico locale", spiega un membro del team Boris Jakobson. “La chiralità – detta anche manualità per via del modo in cui la mano sinistra e quella destra si specchiano senza essere sovrapponibili – non dovrebbe influenzare le energie dello spin degli elettroni. Ma in questo caso, il movimento chirale del reticolo atomico polarizza gli spin all’interno del materiale come se fosse applicato un grande campo magnetico”.

L’entità di questo campo magnetico effettivo è di circa 1 Tesla, aggiunge Zhu, rendendolo paragonabile a quello prodotto dai magneti permanenti più potenti.

Guidare il movimento di un reticolo di atomi

I ricercatori hanno utilizzato un campo elettrico rotante per guidare il movimento di un reticolo di atomi secondo uno schema a spirale. Lo hanno fatto in un materiale chiamato fluoruro di cerio, un trialogenuro di terre rare che è naturalmente paramagnetico, il che significa che gli spin dei suoi elettroni sono normalmente orientati in modo casuale. Hanno quindi monitorato la rotazione elettronica nel materiale utilizzando un breve impulso luminoso come sonda, sparando la luce sul campione con ritardi temporali variabili dopo l’applicazione del campo elettrico. La polarizzazione della luce della sonda cambia a seconda della direzione di rotazione.

"Abbiamo scoperto che quando il campo elettrico era scomparso, gli atomi continuavano a ruotare e lo spin elettronico continuava a capovolgersi per allinearsi con la direzione di rotazione degli atomi", spiega Zhu. “Utilizzando la velocità di rotazione degli elettroni, possiamo calcolare il campo magnetico effettivo che sperimentano in funzione del tempo”.

Il campo calcolato concorda con quello previsto dai modelli del team di movimento atomico guidato e accoppiamento spin-fonone, dice Zhu Mondo della fisica. Questo accoppiamento è importante in applicazioni come la scrittura di dati su dischi rigidi.

I ricercatori trovano il momento angolare "perso".

Oltre a gettare nuova luce sull'accoppiamento spin-fonone, che non è ancora del tutto compreso negli alogenuri delle terre rare, i risultati potrebbero consentire agli scienziati di sviluppare materiali che possono essere ingegnerizzati da altri campi esterni come la luce o le fluttuazioni quantistiche, afferma Zhu. "Ho pensato a questa possibilità sin dal mio post-doc alla UC Berkeley, quando abbiamo eseguito i primi esperimenti risolti nel tempo per verificare la rotazione degli atomi in materiali bidimensionali", spiega. “Tali modalità fononiche chirali rotazionali furono previste qualche anno fa e da allora ho continuato a chiedermi: il movimento chirale potrebbe essere utilizzato per controllare i materiali elettronici?”

Per ora, Zhu sottolinea che le principali applicazioni del lavoro risiedono nella ricerca fondamentale. Tuttavia, aggiunge che "a lungo termine, con l'aiuto di studi teorici, potremmo essere in grado di utilizzare la rotazione atomica come una 'manopola di regolazione' per migliorare le proprietà che rompono l'inversione temporale e raramente si trovano nei materiali naturali, come la superconduttività topologica" .

I ricercatori della Rice, che descrivono in dettaglio il loro lavoro attuale Scienze, ora sperano di applicare il loro metodo per esplorare altri materiali e cercare proprietà oltre la magnetizzazione.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/spiralling-phonons-turn-a-paramagnetic-material-into-a-magnet/